聲表面波氣敏傳感器系統(tǒng)關鍵技術及應用研究.pdf

1、有毒有害氣體通常包括毒氣和可燃氣體。隨著各國工業(yè)4.0計劃的推進，對石油、化工的依賴程度更為緊密，而一氧化碳、甲烷等含烷烴的有機氣體和有機揮發(fā)物（VOC）等多產生于石油化工及工業(yè)生產原材料中，這些氣體嚴重危害到人類的生命和財產安全。同時，由于化學毒劑更易于合成、制造和使用，使得如何預防各類恐怖事件引發(fā)各級政府關注。所以，針對以上有毒有害氣體的檢測亟需具備快速檢測能力的器件。氣敏傳感器作為一種專門用來檢測氣體組分及濃度的器件，被廣泛的應用

2、于各類氣體檢測、監(jiān)測領域，同時，為了適應傳感器網的空間計算泛在化趨勢，也需要設計適用的實體搜索服務機制，實現多功能化、智能化以及網絡化的毒氣檢測?，F有氣體檢測方法如電化學、紅外吸收方法、氣相色譜法等氣敏傳感器由于其工作過程較為復雜、響應較慢、成本高、工作環(huán)境較為苛刻等缺點，限制了其發(fā)展。而聲表面波氣敏傳感器具備精度高、抗干擾能力強、體積功耗小、結構工藝好等優(yōu)點，被廣泛應用于軍事毒氣探測、工業(yè)毒氣檢測領域。本文基于聲表面波的氣敏傳感器利用

3、待測氣體與膜材料敏感機理、設計了三維納米線簇的聲表面波器件、構建了傳感信號測量系統(tǒng)及數字化頻率處理系統(tǒng)，并延伸研究了傳感器網絡的泛在化、服務搜索機制。
　　本研究主要內容包括：⑴分析比較了二維敏感膜結構與三維線簇敏感膜結構的比表面積差距，提出了一種新型的三維納米線簇氣體敏感膜材料結構。同時，綜合考慮選擇性、靈敏度、可逆性、使用壽命等性能，選擇了ZnO納米線簇作為氣體傳感器敏感元件，利用液相水熱法制備了三維納米線簇，每根ZnO納米線

4、簇都有5至8根納米棒，直徑大約150-300nm之間，長度大約3至4?m。基于線性溶劑化能關系式（LSER），采用了噴霧法實現了聚合物與三維納米線簇的超支化聚碳硅烷合成，提高三維納米簇表面的催化活性。研制的三維納米線簇敏感膜制備聲表面波氣體傳感器，其工作頻率為198.99MHz，插入損耗?13.59dB，滿足測定毒劑氣體要求。⑵采用反饋環(huán)路法設計雙端口差分聲表面波諧振的振蕩電路，通過電路噪聲等實現SAW諧振。利用差分雙通道結構，以提高信

5、號提取電路的抗共模干擾能力。文中研究了傳感器頻率穩(wěn)定度和電磁兼容性指標，提出了多項改進措施，從而提升了傳感器的檢測靈敏度和穩(wěn)定度。提出了一種改進型 Rife信號檢測算法，采用的滑動窗口最大化能量的判決方法，有效檢測差頻信號是否攜帶氣體傳感成分。結合提出的一種單頻信號頻率譜估計算法，有效的提高了頻率估計精度更高，估計方差較 Rife和 M-Rife更接近CRLB值。設計了四路串行傳感器陣列結構，選用經典的反向傳播網絡識別算法對毒劑樣本氣體

6、訓練、識別，從而實現了快速、識別單一、混合氣體組分、濃度，實驗驗證，該傳感器具備高靈敏度檢測待測毒劑氣體濃度，并具有高的抗干擾能力。通過各種配氣實驗，結果表明，對單一 HD毒劑氣體選取18主數據進行BP網絡訓練后，識別率達到100％，濃度信息誤差控制在了10%以內；對于單一沙林氣，識別率達到100%，濃度信息誤差控制在了15%以內。通過108組訓練樣本和54組測試樣本數據，得出混合毒劑氣體定性綜合識別為98.79%；同時34組混合氣體測

7、試數據進行濃度識別測試，對于濃度較低時，低于1mg/m3內，識別誤差不超過15%，對于濃度高于15mg/m3時，誤差可以控制在8%以內。對于SAW氣敏傳感器來說，誤差限在合理的范圍內。總體上，濃度誤差可以控制在15%以內。對混合毒劑氣體中加入了一些干擾氣體，如二氧化碳、二氧化硫、甲烷、氨氣、硫化氫等，經過網絡定性識別后，總體的識別率可以達到97.37%，說明本傳感器具備較高的定性識別能力和抗干擾能力。⑶聲表面波氣敏傳感器由傳感器陣列、模

8、式識別系統(tǒng)構成，具備了單點氣體檢測、識別的能力。隨著移動互聯(lián)技術的發(fā)展，推進了傳感器的云、端化，基于拓展氣敏傳感器的空間計算能力，研究了在泛在網中傳感器服務搜索的相關技術。分析了現有的實體搜索服務機制的優(yōu)缺點，針對搜索機制支持動態(tài)屬性不足，提出了一種準確的傳感器狀態(tài)預測機制(ASPM)，可以彌補現有搜索機制動態(tài)性支持不足缺陷，同時提高傳感器搜索系統(tǒng)的效率。通過建立物理實體歷史數據庫，從中建立動態(tài)屬性規(guī)律，以此建立動態(tài)庫上的預測模型。并通